单元系烧结

单元系烧结

单元系烧结是指纯金属或有固定化学成分的化合物或均匀固溶体的粉末在固态下的烧结。

单元系烧结过程只包含粘结、致密化及纯金属的组织变化。

一、烧结温度与烧结时间

单元系烧结的主要机构是扩散和流动，它们与烧结温度和时间的关系极为重要。

莱因斯(RMnes)用如图5—19所示的模型描述粉末烧结时二维颗粒接触面和孔隙的变化。

(a)表示粉末压坯中，颗粒间原始的点接触；

(b)表示在较低温度下烧结，颗粒表面原子的扩散和表面张力所产生的应力，使物质向接触点流动，接触逐渐扩大为面，孔隙相应缩小（点→面）；

(c)表示高温烧结后，接触面更加长大，孔隙继续缩小并趋近球形。

无论扩散还是流动，当温度升高后过程均加快进行。因单元系烧结是原于自扩散，当温度低于再结晶温度时，扩散很慢，原子移动的距离也不大，因此颗粒接触面的扩大很有限。只有当超过再结晶温度使自扩散加快后烧结才会明显地进行。如果流动是一种塑性流动(变形)，温度升高也是有利的；虽然引起变形的表面应力也随温度升高而降低，但材料的屈服极限降低更快。

阻碍烧结因素包括：

(1)颗粒表面的不完全接触；

(2)颗粒表面的气体和氧化膜；

(3)化学反应或易挥发物析出的气体产物；

(4)颗粒本身的塑性较差。

解决措施：

(1)增大压制压力，可改善金属颗粒间的接触；

(2)由于气体或杂质(包括氧化物)的挥发还原或溶解等反应使颗粒间的金属接触增加；

(3)温度升高使颗粒塑性大大提高，这些均是对金属粉末烧结过程有利的。

(4)但是氧化物粉末，一般在接近熔点的温度下才能充分烧结，金属粉末则可在较宽的温度

范围烧结。

(5)对塑性差的粉末，可采用合适的粒度组成，通过压制尽可能获得高的密度，改善颗粒的

接触，使烧结时接触面上有更多的原子形成联结力。

单元系粉末烧结，存在最低的起始烧结温度，即烧结体的某种物理或力学性质出现明显变化的温度。

许提以发生显著致密化的最低塔曼温度指数α(烧结的绝对温度与材料熔点之比)代表烧结起始温度。并测定出：Au一0.3，Cu一0.35，Ni—0.4，Fe一0.4，Mn—0.45，W—0.4等，大致遵循金属熔点愈高，α指数愈低的规律。

金斯通—许提测定了电解铜粉的压坯在不同温度中烧结后的各种性能，作成如图5—20所示的曲线。

从图可看到：在密度基本上不增加的温度范围内，抗拉强度、特别是电导率有明显的变化。电导率对反映颗粒间的接触在低温烧结阶段的变化十分敏感，所以是判断烧结程度和起始温度的主要标志。

达维尔用测定金属辊对金属丝在不同温度时的咬入性来判断烧结的起始温度，发现各种金属的α值在0.43一0.50，即比金属的再结晶温度稍高一些。

实际的烧结过程，都是连续烧结，温度逐渐升高达到烧结温度保温，因此各种烧结反应和现象也是逐渐出现和完成的。大致上可以把单元系烧结划分成三个温度阶段：

α≥) 主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成

(1)低温预烧阶段(0.25

形剂的分解和排除。由于回复消除了压制时的残余弹性应力，颗粒接触反而相对减少，加上挥发物的排除，故压坯体积收缩不明显。在这阶段，密度基本维持不变，但因颗粒间金属接触增加，导电性有所改善。

α≤-) 开始出现再结晶，首先在颗粒内，变形的晶粒

(2)中温升温烧结阶段(0.40.55

得以恢复，改组为新晶粒；同时颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒界面形成烧结颈。故电阻率进一步降低，强度迅速提高，相对而言密度增加较缓慢。

α=-) 烧结的主要过程(如扩散和流动)充分进行

(3)高温保温完成烧结阶段(0.50.85

并接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使得孔隙尺寸和孔隙总数均有减少，烧结体密度明显增加。保温足够长时间后，所有性能均达到稳定值而不再变化。“长时间烧结使聚晶得以长大，这对强度影响不大，但可能降低韧性和延伸率”。

*通常说的烧结温度，是指最高烧结温度，即保温时的温度，一般是熔点绝对温度的2／3—4／5，温度指数α＝0.67一0.80，其低限略高于再结晶温度，其上限主要从技术及经济上考虑，而且与烧结时间同时选择。

烧结时间指保温时间，温度一定时，烧结时间愈长，烧结体性能也愈高，但仅靠延长烧结时间是难以达到完全致密的，而且延长烧结时间，会降低生产率，故多采取提高温度，并尽可能缩短时间的工艺来保证产品的性能。当然提高也是有一定限度。

二、烧结密度与尺寸的变化

控制烧结件密度和尺寸的变化，对生产粉末零件极为重要，而在某种意义上来说，控制尺寸比提高密度更困难。因为密度主要靠压制控制，而尺寸不仅靠压制，还要靠烧结控制，可是零件烧结后各方向的尺寸变化(收缩)往往又是不同的。

在烧结过程中，多数情况下压制件总是收缩的，但有时也会膨胀。

造成膨胀和密度降低的原因有：

(1)低温烧结时压制内应力的消除，抵销一部分收缩，因此，当压力过高时，烧结后会胀大；

(2)气体与润滑剂的挥发阻碍产品的收缩，因此升温过快，往往使产品鼓泡胀大；

(3)与气氛反应生成气体妨碍产品收缩。当产品收缩时，闭孔中气体的压力可增至很大，甚至超过引起孔隙收缩的表面张应力，这时孔隙收缩就停止；

(4)烧结时间过长或温度偏高，造成聚晶长大会使密度略为降低；

(5)同素异晶转变可能引起比容改变而导致体积胀大。

压制产品的收缩，在垂直或平行于压制方向上是不等的，一般说，垂直方向的收缩较大，主要取决于颗粒形状。为表示压坯各方向收缩的不均匀性，可采用收缩比R/A—径向(垂直压制方向)同轴向(平行压制方向)的收缩值之比来表示。R/A＝1的情况不多，一般是R/A＞l或及R／A＜1，R/A偏离l愈大，收缩愈不均匀。影响只R/A的因素有压制压力、粉末形状、压件高径比等。

三、烧结体显微组织的变化

粉末在适宜的条件下经压制、烧结可以获得与致密金属接近的性能。但对于一般的有孔烧结材料，显微组织中的孔隙形态、分布和大小对性能的影响最大。

1．孔隙变化

尽管在某些情况下，烧结后的密度或尺寸变化不大，但是孔隙的形状、大小和数量的改变总是十分明显的。

烧结过程中，孔隙随时都在变化，由孔隙网络逐渐形成隔离的闭孔，孔隙球化收缩，少数闭孔长大。连通孔隙的不断消失（靠体积扩散和塑性流动，表面扩散和蒸发凝聚也起一定作用）与隔离闭孔的收缩（表面扩散和蒸发凝聚只对孔隙球化有作用，但不影响收缩，塑性流动和体积扩散才对孔隙收缩起作用）是贯串烧结全过程中组织变化的特征。有人认为空位通过体积扩散跑出烧结体外产生孔隙收缩，但实际上是空位通过扩散在晶界上聚集，形成所谓“空位团”或“空位片”，一旦它们长大到一定程度，就会“塌陷”而被许多新的原子层所取代。晶界的存在可认为是隔离闭孔收缩的先决条件，图5—15、5—16两张金相照片充分证明了这一点。

但也有人认为，空位在晶界上移动十分缓慢，空位聚集成孔隙使移动的晶界锚住，因此，除非有再结晶发生，否则小孔隙在晶界上是稳定的。

闭孔的球化进行得很缓慢，所以在一般的烧结粉末制品中，多数孔隙仍为不规则状。因为粉末表面吸附的气体或其它非金属杂质对表面扩散和蒸发凝聚过程阻碍极大，只有极细粉末的烧结和某些化学活化烧结才能加快孔隙的球化过程。另外，提高烧结温度自然有利于孔隙球化。